p型半導体、n型半導体、真性半導体

シンギュラリティを乗り越えるために、電気の知識が必要です。コンピューターの中で何が起こっているのか、理解する必要があるでしょう。勿論、電気がデジタルデータとしてスイッチングされ、流れているのです。人類が電気を発見したのは、最初は雷、静電気でしたが、やがて、真空ポンプが発明され、真空管内に電極を挿入し高電圧を掛けると、電流が流れることが分かりました。2極管の発見です。

2極管についてはこちらをご覧下さい。

2極管発明後、2極管の電子の通り道に電極を挿入して様々な電位を与える実験が行われ、挿入された電極(グリッド電極)の電位により、最初の2極間の電気の流れに影響を与えることができるとわかりました。3極管の発見です。

3極管についてはこちらをご覧下さい。

2極管も3極管も電気を自由自在に操ることができる魔法の杖のようなもので、人類は様々な発明品を一挙に得ることができました。電話、レコード、無線通信、ラジオ、テレビなどです。コンピューターだって、真空管で造ることができました。別稿で説明しますが、コンピューター(チューリングマシン)は、電気が無くても、ゼンマイとかバネとかの機械式でも造ることができますが、電子を使うことにより、計算速度が指数関数的に増加できたのです。人類は真空管によって「電子計算機」を手にすることができたのです。

真空管は余りにも便利であり、人類はどんどん真空管を改良していきました。しかし、どうしてもフィラメントを発熱させて電子を放出させる仕組みであるために、フィラメントが蒸発して切れてしまう「フィラメント切れ」を避けることはできませんでした。白熱電球と同じで数千時間の寿命を伸ばすことが困難だったのです。そこで、フィラメント切れの無い、「固体増幅素子」を世界中の科学者が模索していたのです。

固体増幅素子=トランジスタは、「固体整流器」から発展して発明されることになりました。固体整流器は、最初は鉱物整流器ダイオードとして発見発明されました。鉱物に金属を接触させると電気が一方向にしか流れなくなることが発見されましたが、なぜそうなるのか研究観察が積み重ねられました。

その結果、電気が流れる「自由電子」の濃度を調節することができる物質=半導体が発見されたのです。

最も大事なことを理解して頂くために、応用編は下記教科書を参照して頂くことにして、半導体=シリコンSi=ケイ素として説明解説します。

まず、真性半導体。シリコン単結晶ですね。

Screenshot of ja.wikipedia.org

 

シリコンSi=ケイ素は、陽子14個、中性子14個、電子14個で安定している原子なんですね。電子の配置は内側から2個、8個、4個となっており、化学反応に使われる一番外側の価電子は4個です。ケイ素は土や石に含まれており、ガラスは酸化ケイ素が主成分ですね。シリコン単結晶は、価電子4個を頂点とする正四面体が整然と並んでいる構造で、自由電子は無く、室温平常時には電気は(ほとんど)流れません。これが「真性半導体」です。結晶内のシリコン原子は、互いに最外殻の電子を共有しあって結合しています(共有結合)。真性半導体は、英語で intrinsic semiconductor=内在的半導体と呼ばれるため、i型半導体と呼ばれることもあります。内在的というのは電子が原子の中に隠れていて自由電子が出てこないイメージでしょうか。価電子を伝導電子のレベルに引き揚げるには、「光を当てるか=光励起」、「熱を加えるか=熱励起」、「不純物を加えるか=ドーピング」、「電場や磁場を掛ける」必要があります。

理解のために、以下の説明は2次元の結晶で正方形が並んでいる形を使って考えます。

このシリコン単結晶(価電子4個)に、価電子が3個のホウ素=Bを混ぜますと(ドーピングしますと)、電子のあるべき場所が1つ穴として空くことになります。これを正孔と言います。この正孔は結晶中を自由に動き回ることができるので、自由正孔と言います。自由正孔が移動することにより、電気を流すことができます。正孔はプラスの電気を持つので、p型半導体と言います。p型半導体は電気を流すことができます。

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シリコン単結晶(価電子4個)に、価電子が5個のリン=Pを混ぜますと(ドーピングしますと)、電子が1個余ることになります。この電子は結晶中を自由に動き回ることができるので、自由電子と言います。自由電子が移動することにより、電気を流すことができます。電子はマイナスの電気を持つので、n型半導体と言います。n型半導体は電気を流すことができます。

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自由電子も自由正孔も電荷(電気)を運ぶことができるので、「キャリア(carrier)」と呼ばれます。自由電子はマイナス電荷を持つのでn型キャリア、自由正孔はプラス電荷を持つのでp型キャリアと呼び、n型キャリアを持つ半導体をn型半導体、p型キャリアを持つ半導体をp型半導体と呼ぶのですね。

さあ、いよいよ役者が揃ってきましたね。興味のある方は下記教科書を参照してみましょう。

※参考教科書
藤本晶、基礎電子工学